基于纳米激光器阵列构建的有源光频相控阵，可实现激光器的相干“同步起舞”，按需输出 “中”“国”等任意图形的相干激射图案。(作者供图)

“实现原子级特征尺度与可重构光频相控阵的纳米激光器”成果，入选了由国家自然科学基金委员会公布的2024年度“中国科学十大进展”。

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提起激光，大家恐怕都不陌生。从1960年美国科学家梅曼发明出世界上第一台激光器以来，激光已经走进了我们的日常生活，广泛应用于通信、医学成像与手术、传感和精密测量等领域，悄然改变着世界的模样。

那么，激光器到底可以做到多小呢?这个问题听起来简单，其实背后涉及到一个核心挑战：我们该如何“压缩”光子?这不仅是科学家追求的目标，也关系到未来能否研制出更小、更快、更强大的光子芯片和信息处理系统。

极限“压缩”光子的挑战：衍射极限

在信息技术的世界里，晶体管和激光器是两大核心元件。晶体管的微型化推动了电子芯片的飞速发展，并催生了广为人知的摩尔定律，即每隔约18个月，集成电路上可容纳的晶体管数量将翻一番。这一趋势使得最先进的晶体管的特征尺寸已达到纳米级别，如在手机和电脑芯片中能够集成超过百亿个晶体管，这赋予信息设备强大的信息处理能力。

与晶体管相比，缩小激光器的难度要大得多，这主要源于两者所依赖的微观粒子截然不同：晶体管依赖电子，而激光器依赖光子。在可见光和近红外波段，光子的波长比晶体管中电子的德布罗意波长高出3个数量级。受衍射极限的制约，这些光子能够被压缩到的最小模式体积，比晶体管中的电子大约九个数量级——10亿倍。

构建纳米尺度激光器的核心挑战在于如何突破衍射极限，将光子的体积实现极限“压缩”。

克服这一挑战不仅能够显著推动光子技术的发展，还将催生许多全新的应用场景。设想一下，当光子能够像电子一样在纳米尺度上被灵活操控时，我们将能够用光直接观察到DNA的精细结构，大规模光电集成芯片的实现也将成为可能，进而将带来信息处理速度和效率的飞跃性提升。

构建新理论框架：将激光器研制推进至原子级别

为了突破光学衍射极限，实现对光子体积的极限“压缩”，团队提出了“奇点色散方程”，建立了介电体系中突破衍射极限的理论框架，并发明了一种制备特征尺寸小至1nm的光学纳腔的新方法。

在此基础上，团队研制出目前已知模式体积最小的奇点介电纳米激光器，首次将激光器的特征尺度推进至原子级别。

这项研究为物质科学和生命科学等前沿领域提供了全新的相干光源。与传统激光器相比，纳米激光器具有能耗低、调制速度快等优势，未来有望在信息技术等领域得到广泛应用。

让纳米激光器“同步起舞”：实现有源光频相控阵

相控阵技术因其具备快速、无机械结构的波束扫描能力，在探测、成像和通信等方面具有重要战略价值。然而，长期以来将相控阵拓展至光频段一直面临重大挑战，主要难点包括短波长带来的集成难度以及缺乏高效的相干控制机制。

为解决这一难题，团队进一步利用纳米激光器构建出有源光频相控阵，实现了激光阵列的相干输出与精确调控。无需外部锁相，该系统可自发实现阵列内相位同步，按需输出“P”“K”“U”和“中”“国”等任意图形的相干激射图案。通过进一步调控各区域激光器的相对相位，还能精准控制整体发射方向，实现光频段的动态波束扫描。

这一有源光频相控阵技术有望突破当前光子器件集成的关键瓶颈，在微纳光源阵列、片上通信系统和智能感知等领域展现出广阔的发展前景。

(作者系马仁敏，北京大学教授)

http://www.kepu.gov.cn/news/2025-05/20/content_342318.html

编辑：萧培  审编：益申合